一種新型平臺化LED光源模塊的車燈應(yīng)用

張駿 謝延青 郭浩宇 龔和明

【摘? 要】本文從光源的角度分析新概念——模塊化光源在結(jié)構(gòu)、電子及熱學(xué)上的特點(diǎn)和優(yōu)勢，通過這些方面所帶來的便利展現(xiàn)了模塊化光源在平臺化、標(biāo)準(zhǔn)化以及低成本方面的潛在優(yōu)勢。隨后通過實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用案例，驗(yàn)證光源模塊對于傳統(tǒng)方案替代的可行性和優(yōu)勢，以及未來進(jìn)一步擴(kuò)展的展望。

【關(guān)鍵詞】車燈；光源模塊；輕便化；平臺化

中圖分類號：U463.65? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0052-03

【Abstract】In this paper，we introduced a light source module for automotive lighting headlamp. The characteristics and advantages from mechanical，electrical and thermal aspects have been analyzed，and due to these difference，the light source module can bring advantages of standardization，platform and cost efficiency. Following that，we also analyzed the application of the light module based on real project，and showed great potential of this new concept application.

【Key words】headlights；light source module；portability；platformization

1? 引言

汽車車燈是汽車零部件中重要的一部分，必須同時(shí)兼顧造型和安全兩大重要的用戶關(guān)注點(diǎn)。而由于車燈安全法規(guī)的要求和限制，車燈造型的自由度往往取決于光源本身的特性和能力。所以，傳統(tǒng)的汽車照明光源——燈泡，通常會(huì)受限于其自身的尺寸、亮度和光色等諸多因素影響，給造型和客戶體驗(yàn)帶來諸多限制。

近年來，隨著LED光源的諸多優(yōu)勢（例如：環(huán)保、高效、小巧、高亮、長壽等）越來越進(jìn)入人們的視線，LED在汽車照明領(lǐng)域正被越來越廣泛地應(yīng)用。其中，高亮和小巧的特點(diǎn)使得許多新穎的造型成為了可能，這給近年來的汽車前臉造型帶來了明顯的改善和多樣的變化。同時(shí)，LED燈具輸出的光強(qiáng)和光色也更契合客戶的需求，LED對于車燈照明的升級是不言而喻的。然而在新型光源的應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，LED的光源系統(tǒng)相較于燈泡更為復(fù)雜，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度也更低；從項(xiàng)目開發(fā)的角度來說，不同項(xiàng)目的開發(fā)情況相去甚遠(yuǎn)，沿用率很低。這給項(xiàng)目開發(fā)、項(xiàng)目管理、成本管控等帶來了很大的負(fù)擔(dān)，促使我們萌生一種想法，能否使復(fù)雜的LED光源系統(tǒng)應(yīng)用起來更接近于燈泡，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少不同項(xiàng)目的開發(fā)流程，同時(shí)也降低分?jǐn)偝杀?。因此，本文介紹一種模塊化LED光源的應(yīng)用案例，發(fā)揮低成本、平臺化、標(biāo)準(zhǔn)化等諸多優(yōu)勢，也給LED系統(tǒng)的集成化提出新的概念。

2? LED光源系統(tǒng)介紹

2.1? LED系統(tǒng)-散熱

區(qū)別于傳統(tǒng)的鹵素光源，LED為俗稱的“冷光源”。顧名思義，LED在熱輻射方面相對于鹵素?zé)襞葺^小，所以LED在發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式向外導(dǎo)出，這是LED與傳統(tǒng)光源不同的典型方面之一。尤其作為前照燈照明的應(yīng)用，LED功率往往較高，發(fā)熱功率也相應(yīng)增加，LED產(chǎn)生的熱量需要通過連接散熱器的形式向外導(dǎo)熱（必要時(shí)需要風(fēng)扇強(qiáng)制對流）。

另外，LED和鹵素?zé)襞莸牟顒e還在于LED的熱衰減現(xiàn)象非常明顯。如圖1所示，結(jié)溫過高會(huì)直接導(dǎo)致光輸出的減小，所以在前照燈照明系統(tǒng)里，對散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)變得尤為重要。必須確保在空間和成本限制的條件下，最大限度地降低實(shí)際的LED工作結(jié)溫。

以上兩個(gè)原因使得散熱器設(shè)計(jì)成為了LED應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對后期實(shí)際工況及可靠性影響很大?，F(xiàn)主流前照燈散熱器的形式主要有鑄鋁和沖壓鋁板等。根據(jù)實(shí)際的工作情況和燈具內(nèi)部空間，可以針對設(shè)計(jì)散熱器的大小、形狀和鰭片間距。圖2是幾例常見的散熱器樣式圖。

2.2? LED系統(tǒng)-電子

LED的封裝會(huì)引出正負(fù)極，而正負(fù)極與電源的連接一般通過PCB板提供，所以LED一般會(huì)焊在PCB上。由于LED封裝尺寸小，光學(xué)系統(tǒng)對于LED的公差要求也會(huì)相應(yīng)提高，所以PCB作為LED的載體，除了連接電路外，還須承擔(dān)精準(zhǔn)定位的功能。為此，產(chǎn)生了較多的貼片工藝來控制LED在PCB上的位置公差。另外，PCB還是LED鏈接散熱器的橋梁。PCB在散熱方面需要滿足高導(dǎo)熱率的要求，盡可能將熱量高效地傳輸出去。因此，不同基材形式的PCB板應(yīng)運(yùn)而生，滿足不同的工況需求，如圖3所示。

針對上述走線、定位和導(dǎo)熱等諸多功能，PCB成為系統(tǒng)中比較復(fù)雜的一部分，也有較寬的技術(shù)選擇范圍和價(jià)格區(qū)間。

2.3? LED系統(tǒng)-光學(xué)系統(tǒng)定位

最后，LED所產(chǎn)生的光輸出會(huì)被光學(xué)系統(tǒng)搜集，而光的利用效率往往與LED位置精度大大有關(guān)。通常LED會(huì)先基于PCB板基準(zhǔn)孔定位，然后再和光學(xué)器件定位，如圖4所示。

3? 新應(yīng)用形式——模塊化光源

一般來說，前照燈現(xiàn)有的散熱器形式大多是鑄鋁，需要針對各個(gè)項(xiàng)目不同的工況和造型空間進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，開不同的模具。每個(gè)項(xiàng)目需要承擔(dān)模具費(fèi)用、開發(fā)費(fèi)用以及相應(yīng)的開發(fā)開模周期，資源浪費(fèi)相對較多。而本文采用的概念是利用標(biāo)準(zhǔn)化的沖壓鋁板散熱形式，能夠滿足各種空間的限制，從而增加共用性同時(shí)也均攤了工藝成本（圖5）。

從圖5不難看出，本文所用的沖壓形式散熱器比傳統(tǒng)的鑄鋁散熱器體積要小得多。其原因主要是得益于使用了上接電形式的LED。簡單來說，這種LED從上表面接電，底部的焊盤面積可以全部用來導(dǎo)熱；LED可以直接貼在散熱器上，繞開了PCB帶來的熱阻，導(dǎo)熱效果更好，進(jìn)而就可以大大減少散熱器的使用體積。同時(shí)輕便性也給平臺化使用以及折彎工藝均攤成本創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。另外，如圖6所示的傳統(tǒng)反射式應(yīng)用中，鑄鋁散熱器往往放在光學(xué)件上方，方便熱量向上散發(fā)；厚重的散熱器往往會(huì)給整車的振動(dòng)試驗(yàn)帶來較大的壓力。本文的輕便化模塊光源，不僅在體積上小巧，適用于多種燈體空間，還優(yōu)化了重心結(jié)構(gòu)，大大減少了光學(xué)總成在振動(dòng)試驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，正如LED可以繞開PCB直接貼在散熱器上的優(yōu)勢，使得PCB不用承擔(dān)精度和導(dǎo)熱的任務(wù)，最終減少PCB原本為了滿足精度和散熱要求所需要的成本。從定位結(jié)構(gòu)來說，LED直接貼在散熱器上再直接與光學(xué)器件定位，可以減少PCB環(huán)節(jié)的公差鏈，提高定位精度。

4? 應(yīng)用實(shí)例展示

本文在新開發(fā)的車型中，使用了新型的模塊化光源。具體應(yīng)用系統(tǒng)如圖7所示，從重心安排上來說，新的光源模塊總重35g，比起傳統(tǒng)鑄鋁散熱器至少100g以上的質(zhì)量，已減少為三分之一。另外，雖然散熱器體積減小，但由于LED結(jié)構(gòu)帶來的散熱優(yōu)勢，使得光源模塊輸出的熱流明與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比并沒有減少。如圖8模組模擬數(shù)據(jù)，在50℃環(huán)境溫度下，雙芯片可以輸出618lm（@1A），4芯片可以輸出1121lm（@0.9A）。這樣來看，新型模塊在保持了光輸出的情況下，把系統(tǒng)做得更輕便，并且也為平臺化提供了方便。另外，由于PCB板無需承擔(dān)定位和導(dǎo)熱功能，實(shí)際模塊上簡單用一個(gè)FR4的板子，能節(jié)省不少成本。

整燈的光學(xué)表現(xiàn)，由于目前項(xiàng)目處于樣件階段，測試結(jié)果如圖9所示。近光實(shí)際輸出550lm，遠(yuǎn)光實(shí)際輸出480lm，最大照度107lx，均與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致并且與同級別系統(tǒng)相當(dāng)。路面的近光、遠(yuǎn)光照度和均勻性也達(dá)到同級別相同水準(zhǔn)，實(shí)際零件均勻性會(huì)更好。

5? 未來展望

本文針對LED光源的應(yīng)用系統(tǒng)提出了新的想法，也展現(xiàn)了新方案所帶來的收益。展望未來，筆者認(rèn)為在此模塊的基礎(chǔ)上，還可以拓展一些新的應(yīng)用，例如：散熱器上光源貼片處可以預(yù)留出更多的空間，方便之后多顆LED并排使用的情況。同時(shí)也可豐富PCB板的接線接口個(gè)數(shù)，方便從不同角度對接不同數(shù)量的LED，這些可能會(huì)用于LED顆數(shù)增加并帶有旋轉(zhuǎn)的一些應(yīng)用設(shè)計(jì)。

6? 結(jié)語

隨著LED光源的應(yīng)用越來越普及，給車燈造型帶來了更豐富的選擇以及炫酷的效果。但相應(yīng)造型的多變，使LED光源系統(tǒng)相比傳統(tǒng)燈泡的通用性和共用性都大大降低，給開發(fā)成本和開發(fā)周期帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。本文提出了新的平臺化光源模塊想法，利用上接電LED的散熱優(yōu)勢，將LED直接貼在散熱器上，繞開PCB現(xiàn)有的昂貴成本，同時(shí)也減小了散熱器體積，方便平臺化的沖壓工藝。最終實(shí)現(xiàn)了既緊湊通用又能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)系統(tǒng)相當(dāng)輸出的新型模塊。希望本文的思路能夠拋磚引玉，在未來的項(xiàng)目開發(fā)中得到更多同行在此基礎(chǔ)上的升級和擴(kuò)展應(yīng)用。

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（編輯? 楊? 景）